冷却速率调控液晶物理凝胶性能的机制研究：从纤维网络构筑到电光特性优化

为解决液晶物理凝胶（LCPG）冷却工艺与性能关联不明的科学问题，研究人员以5CB/DMDBS体系为模型，系统探究了冷却速率对凝胶纤维网络形貌及电光性能的影响。研究发现，低冷却速率（5°C/min）诱导反应限制聚集（reaction-limited aggregation），形成孔径更小（37.61 μm）、密度更高（330孔）的网络结构，显著提升对比度（CR）但增加驱动电压（Vth/Vsat），为LCPG在智能窗（smart windows）和柔性显示中的精准制备提供了理论支撑。

　　

液晶显示技术作为现代光电领域的核心，其性能优化始终是研究热点。传统聚合物分散液晶（PDLC）虽已商业化，但存在热稳定性差、无法直流驱动等瓶颈。而新兴的液晶物理凝胶（LCPG）凭借凝胶剂自组装形成的三维网络结构，兼具热可逆性和机械稳定性，在智能窗、柔性显示等领域展现出独特优势。然而，尽管前人已探索了凝胶剂种类、含量对LCPG性能的影响，其形成过程中的关键步骤——冷却工艺的调控机制却长期未被揭示。冷却速率如何影响凝胶剂分子通过氢键、π-π堆积等非共价作用构筑纤维网络？这种动力学过程又如何关联最终的电光特性？这些问题成为制约LCPG性能精准调控的关键科学难题。

针对这一挑战，陕西师范大学的研究团队选择经典液晶材料4-氰基-4'-戊基联苯（5CB）与小分子凝胶剂DMDBS构建LCPG体系，通过控制5-25°C/min的冷却梯度，结合偏光显微镜（POM）、电光测试等技术，首次系统阐明了冷却动力学与性能的构效关系。研究发现，冷却速率通过调控凝胶剂聚集模式深刻影响网络形貌：低速率（5°C/min）下，反应限制聚集（reaction-limited aggregation）使分子充分扩散，形成孔径更小（37.61 μm）、密度更高（330孔）的网络；而高速率（25°C/min）导致扩散限制聚集（diffusion-limited aggregation），产生大孔径（89.09 μm）、低密度（108孔）结构。这种形貌差异直接决定性能——致密网络通过增强液晶分子锚定能（anchoring energy）显著降低关态透光率（T_off），将对比度（CR）提升至商业化需求水平，但代价是驱动电压（V_th/V_sat）的升高。研究还验证了LCPG优异的直流驱动稳定性，为开发新一代低能耗显示器件奠定基础。

关键技术方法包括：通过高温搅拌（140°C）制备5CB/DMDBS均相溶液；采用程序控温仪实现5-25°C/min精确冷却；通过POM定量分析网络孔径与密度；利用电光测试系统测量T_off/T_on、CR及响应时间；结合流变学表征网络机械强度。

研究结果具体呈现为：

1. Materials：选用n_e=1.742、Δn=0.21的5CB与n=1.563的DMDBS，其分子结构差异为研究界面锚定效应提供理想模型。
2. Electro-optical properties：0.20wt%凝胶剂含量下，5°C/min样品CR较25°C/min提升2.3倍，但V_th增加1.8倍，证实网络密度与电光参数的权衡关系。
3. Conlusion：冷却动力学主导的聚集模式是除凝胶剂种类/含量外，调控LCPG性能的第三维关键因素，为工艺优化提供新思路。

这项发表于《Optical Materials》的研究，首次建立了冷却速率-LCPG性能的定量关系图谱，不仅填补了该领域理论空白，更指导性地提出通过"冷却程序编程"可精准定制网络形貌的策略。对于开发兼具高CR、低电压的下一代LCPG器件（如节能智能窗、柔性电子纸）具有重要实践意义，也为其他物理凝胶体系的可控制备提供了普适性方法论。